KR100255485B1 - Thin magnetic element and transformer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 베이스체의 한쪽면에 형성된 코일 패턴과, 이 코일패턴상에 형성된 자성 박막이 구비되어 이루어지고, 상기 자성 박막이 0.5㎛이상, 8㎛이하의 두께로 형성되어 이루어지는 점과, 상기 코일 패턴을 구성하는 코일 도체의 두께를 t, 폭을 a로 한 경우의 코일 도체의 어스펙트비 t/a가 0.035≤t/a≤0.35의 관계를 만족하여 이루어지는 점과, 상기 코일패턴을 구성하는 코일 도체의 폭을 a, 코일패턴에 있어서의 인접하는 코일 도체간의 간격을 b라 한 경우에 0.2≤a/(a+b)의 관계가 만족되어 이루어지는 점중, 적어도 하나가 만족되어 이루어진다.The present invention comprises at least a coil pattern formed on one side of the base body, a magnetic thin film formed on the coil pattern, wherein the magnetic thin film is formed to a thickness of more than 0.5㎛, 8㎛ or less, The aspect ratio t / a of the coil conductor in case the thickness of the coil conductor constituting the coil pattern is t and the width a is satisfied by satisfying the relation of 0.035≤t / a≤0.35, and the coil pattern is constituted. When the width of the coil conductor is a and the distance between adjacent coil conductors in the coil pattern is b, at least one of the points at which the relationship of 0.2≤a / (a + b) is satisfied is satisfied.
Description
본 발명은 베이스체에 코일 패턴을 형성하여 이루어지고, 코일 패턴상에 자성 박막을 설치한 구조의 박형 자기 소자 및 트랜스에 관한 것이다.The present invention relates to a thin magnetic element and a transformer having a structure formed by forming a coil pattern on a base body and having a magnetic thin film formed on the coil pattern.
자기 소자의 소형화, 고성능화에 따라 수 100MHz이상의 주파수에서의 투자율이 높은 연자성 재료, 특히 5kG이상의 높은 포화 자속밀도와 함께 높은 비저항을 가지며, 또한 낮은 보자력을 가지는 것이 요구되고 있다. 그중에서도 트랜스에서는 높은 비저항을 가지는 것이 특히 요구되고 있다.With the miniaturization and high performance of magnetic elements, soft magnetic materials having high permeability at frequencies of several 100 MHz or more, particularly high saturation magnetic flux densities of more than 5 kG, have high specific resistance and low coercive force. Among them, a transformer having a high specific resistance is particularly required.
높은 포화 자속 밀도를 가지는 자성재료로서는 Fe 또는 Fe를 주성분으로 하는 합금이 많이 알려져 있으나, 스패터법 등의 성막기술에 의하여 이들 합금의 자성박막을 작성하면, 포화 자속 밀도는 높으나, 보자력이 크고 또 비저항이 작아져 고주파 영역에서 양호한 연자기 특성을 얻는 것은 곤란하였다. 또한 벌크재료로서 많이 이용되고 있는 펠라이트는 박막상태에서는 우수한 연자기 특성을 얻을 수 없었다.As a magnetic material having a high saturation magnetic flux density, many alloys mainly containing Fe or Fe are known. However, when magnetic thin films of these alloys are formed by a film forming technique such as spatter method, the saturation magnetic flux density is high, but the coercive force is large and the resistivity is high. This became small and it was difficult to obtain good soft magnetic properties in the high frequency region. Also, the ferrite, which is widely used as a bulk material, could not obtain excellent soft magnetic properties in the thin film state.
또 고주파수에서의 투자율 저하의 원인의 하나로 와전류의 발생에 의한 손실이 있다. 이 고주파 투자율의 저하의 한 원인인 와전류 손실을 방지하기 위하여 박막화 및 박막의 고저항화를 도모하는 것이 요구되고 있다.In addition, there is a loss due to the generation of eddy current as one of the causes of the permeability decrease at high frequencies. In order to prevent the eddy current loss which is one of the causes of the decrease of the high frequency permeability, it is required to achieve thinning and high resistance of the thin film.
그러나 자기 특성을 유지한 채 비저항을 높이는 것은 상당히 곤란하고 센더스트 등의 결정합금이나 아몰퍼스합금 등의 연자성 박막의 비저항은 수십 ~ 백수십μΩ·㎝정도로 작고, 적어도 5kG(0.5T)이상의 포화자속 밀도를 확보하면서 비저항을 높인 연자성 합금이 요구되고 있다.However, it is very difficult to increase the specific resistance while maintaining the magnetic properties. The specific resistance of soft magnetic thin films such as sender's crystal alloys and amorphous alloys is small, about tens to hundreds of microΩ · cm, and at least 5 kG (0.5T) or higher saturation magnetic flux. There is a demand for a soft magnetic alloy having a high specific resistance while securing a density.
또 연자성 합금을 박막으로서 얻는 경우에 자왜 발생 등의 영향에 의하여 양호한 연자성 특성을 얻는 것은 더욱 곤란하게 된다.In addition, when the soft magnetic alloy is obtained as a thin film, it is more difficult to obtain good soft magnetic properties under the influence of magnetostrictive generation or the like.
특히 연자성 합금의 박막을 코일에 근접시켜 설치함으로써 박형의 자기소자를 구성한 경우에 연자성 합금이 본래 가지는 양호한 연자기 특성을 유지한 채로 인덕턴스나 성능계수(Q)가 높은 값을 얻는 것은 더 곤란하고, 사용할 때의 온도상승을 억제하는 것에도 어려운 문제가 있다. 즉 종래의 이와 같은 박형의 자기소자에 있어서는 자심을 구성하는 코일 그 자체의 성능 계수(Q)가 저하하기 전에 연자성 합금의 박막의 손실이 커지고, 트랜스 또는 리액틀 등의 자기 소자로서의 고주파 특성이 제한되는 경향이 있었다. 즉 자성 박막으로서 연자기 특성이 우수한 Co기 아몰퍼스박막, Ni-Fe합금 박막 등의 적용이 연구되었으나, 이들 박막의 비저항은 높지 않으며, 고주파에서의 손실이 커지기 쉽고, 자성 박막의 고주파 손실 때문에 자기 소자 전체로서의 고주파 특성이 제한되는 경향이 있었다.In particular, when a thin magnetic element is constructed by installing a thin film of a soft magnetic alloy in close proximity to a coil, it is more difficult to obtain a high inductance or a high coefficient of performance (Q) while maintaining the good soft magnetic properties inherent in the soft magnetic alloy. In addition, there is a difficult problem in suppressing the temperature rise during use. That is, in the conventional thin magnetic element, the loss of the thin film of the soft magnetic alloy increases before the coefficient of performance Q of the coil itself constituting the magnetic core decreases, and the high frequency characteristics of the magnetic element such as a transformer or a reactor are reduced. There was a tendency to be limited. In other words, the application of Co-based amorphous thin films and Ni-Fe alloy thin films having excellent soft magnetic properties as magnetic thin films has been studied, but the specific resistivity of these thin films is not high, the loss at high frequencies is likely to be high, and the magnetic thin film has a high frequency loss. The high frequency characteristics as a whole tended to be limited.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로 박형화가 가능하고 높은 인덕턴스와 성능계수(Q)를 나타내고, 고주파 영역에서의 사용에 대응할 수 있음과 동시에 발열도 적은 박형 자기 소자를 제공하는 것 및 그 박형 자기 소자를 구비한 트랜스를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a thin magnetic element that can be thinned, exhibits high inductance and performance coefficient (Q), can cope with use in the high frequency range, and generates little heat, and the thin magnetic field. It is an object to provide a transformer provided with an element.
도 1은 본 발명에 관한 박형 자기 소자의 일예의 구조를 나타낸 단면도,1 is a cross-sectional view showing the structure of an example of a thin magnetic element according to the present invention;
도 2는 도 1에 나타낸 박형 자기 소자에 설치되어 있는 코일 도체의 평면도,2 is a plan view of the coil conductor provided in the thin magnetic element shown in FIG. 1;
도 3은 박형 자기 소자시료의 1차측 성능계수의 자성층 두께 의존성을 나타낸 도,3 is a diagram showing the magnetic layer thickness dependence of the primary side coefficient of performance of the thin magnetic element sample;
도 4는 박형 자기 소자 시료의 인덕턴스와 도선폭의 관계를 나타낸 도,4 is a diagram showing a relationship between inductance and lead width of a thin magnetic element sample;
도 5는 박형 자기 소자 시료의 등가 저항과 도전폭의 관계를 나타낸 도,5 is a diagram showing a relationship between an equivalent resistance and a conductive width of a thin magnetic element sample;
도 6은 박형 자기 소자 시료의 성능계수(Q)와 도전폭의 관계를 나타낸 도,6 is a diagram showing a relationship between a performance coefficient Q and a conductive width of a thin magnetic element sample;
도 7은 코일 도체폭 35㎛인 경우의 박형 자기 소자 시료의 통전 전류와 온도 상승과의 관계를 나타낸 도,Fig. 7 is a diagram showing the relationship between the conduction current and the temperature rise of the thin magnetic element sample when the coil conductor width is 35 μm;
도 8은 코일 도체폭 70㎛인 경우의 박형 자기 소자 시료의 통전 전류와 온도 상승과의 관계를 나타낸 도이다.Fig. 8 is a diagram showing the relationship between the conduction current and the temperature rise of the thin magnetic element sample when the coil conductor width is 70 µm.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 적어도 베이스체의 한쪽면 또는 양쪽 면에 형성된 코일 패턴과 이 코일 패턴상에 형성된 자성 박막이 구비되어 이루어지고, 상기 자성 박막이 0.5㎛이상, 8㎛이하의 두께로 형성되어 이루어지는 것과, 상기 코일패턴을 구성하는 코일 도체의 두께를 t, 폭을 a 라 한 경우의 코일 도체의 애스팩트비 t/a가 0.035≤t/a≤0.35의 관계를 만족하여 이루어지는 것과, 상기 코일패턴을 구성하는 코일 도체의 폭을 a, 코일 패턴에서의 인접하는 코일 도체간의 간격을 b라 한 경우에 0.2≤a/(a+b)의 관계가 만족되어 이루어지는 것중, 적어도 하나가 만족되어 이루어지는 것이다.The present invention is provided with a coil pattern formed on at least one side or both sides of the base body and a magnetic thin film formed on the coil pattern in order to solve the above problems, the magnetic thin film is 0.5㎛ or more, 8㎛ or less And the aspect ratio t / a of the coil conductor when the thickness of the coil conductor constituting the coil pattern is t and the width a is satisfied with a relationship of 0.035 ≦ t / a ≦ 0.35. When the width of the coil conductor constituting the coil pattern is a and the distance between adjacent coil conductors in the coil pattern is b, at least one of the relations of 0.2≤a / (a + b) is satisfied. It is satisfied.
코일 패턴상의 자성 박막이 상기 두께로 형성됨으로써 양호한 성능 계수(Q)가 얻어지고, 코일 도체의 애스펙트비가 상기 범위로 됨으로써 코일 도체에서의 온도상승이 억제됨과 동시에 0.2≤a/(a+b)의 관계가 만족됨으로써 안정된 높은 인덕턴스와 낮은 등가저항 및 양호한 성능 계수(Q)가 얻어진다.By forming the magnetic thin film on the coil pattern in the above thickness, a good coefficient of performance Q is obtained, and the aspect ratio of the coil conductor is in the above range, thereby suppressing the temperature rise in the coil conductor and simultaneously reducing the temperature to 0.2? A / (a + b). By satisfying the relationship, stable high inductance, low equivalent resistance, and good coefficient of performance Q are obtained.
다음에 상기 구성에서 Fe, Co, Ni중의 1종 또는 2종이상을 주성분으로 하는 평균 결정입경 30nm이하의 미세 결정상과 란타노이드계의 희토류 원소(La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu중 1종 또는 2종 이상)와 Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, Mo, W에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소 M과 O 또는 N의 화합물을 주성분으로 하는 비정질성 박막이 사용되는 것이 바람직하다. 그리고 또 상기 자성 박막이 AaMbM'cLd로 이루어지는 조성식으로 나타내어지는 것을 특징으로 하며, 여기서 A는 Fe, Co, Ni중에서 선택되는 1종 또는 2종이상을 나타내고, M은 란타노이드계의 희토류 금속원소(La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu중 1종 또는 2종이상) 및 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W군으로부터 선택되는 1종 또는 2종이상의 원소를 나타내고, M'은 Al, Si, Cr, Pt, Ru, Rh, Pd, Ir군으로부터 선택되는 1종 또는 2종이상의 원소를 나타내고, L은 O과 N중, 1종 또는 2종을 나타내고, 조성비 a, b, c, d는 원자 %로서, 20≤a≤85, 5≤b≤30, 0≤c≤10, 15≤d≤55의 관계를 만족하는 것으로 하는 것이 바람직하다.Next, in the above structure, a rare crystal element (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu) of a fine crystal phase having an average grain size of 30 nm or less and a lanthanoid type having mainly one or two or more of Fe, Co and Ni as main components , One or two or more of Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, and Lu), and one or two or more elements M and O selected from Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, Mo, W, or It is preferable to use an amorphous thin film containing N as a main component. And wherein the magnetic thin film is represented by a compositional formula consisting of A a M b M ' c L d , wherein A represents one or two or more selected from Fe, Co, and Ni, and M is a lanthanoid. Rare earth metal elements (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm,
이들 조직 또는 조성비의 자성박막을 이용함으로써 자성 박막 자체가 고비저항이 되고, 고주파 영역에서의 손실이 감소하고, 종래 재료가 고주파수에 대하여 가지고 있던 제한이 적어진다.By using the magnetic thin films of these structures or composition ratios, the magnetic thin films themselves have high specific resistance, the loss in the high frequency region is reduced, and the limitations that the conventional materials have on high frequencies are reduced.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1과 도 2는 본 발명에 관한 제 1실시예를 나타낸 것으로 이 형태의 박형 자기 소자(A)는 상하의 기판(베이스체)(1, 2)의 서로 대향하는 면에 각각 자성 박막(3)과 절연막(4)을 적층하고, 상하 절연막(4, 4)간에 설치된 플렉시블한 기판(베이스체)(5)에 그것을 양쪽으로 부터 끼운 상태의 코일 도체(6, 6)를 설치한 구조로 되어 있다. 도 2에 상기 코일 도체(6)로 이루어지는 코일(7)의 평면형상을 나타내었으나, 이 예의 코일 도체(6)는 정방형의 각형의 스파이럴 형으로 되어 있다. 또한 이 코일 도체의 평면형상은 도면에 나타낸 것에 한정하지 않고, 미안다형, 스파이럴 형과 미안다형의 복합형 등 어느 형상이더라도 상관없다.1 and 2 show a first embodiment according to the present invention, wherein the thin magnetic element A of this type has a magnetic
상기 기판(1, 2)은 폴리이미드 등의 수지제의 것, 또는 세라믹제의 것등으로 이루어지는 절연성의 비자성 재료로 구성되어 있다.The said board |
다음에 상기 자성 박막(3)은 이하에 설명하는 비저항이 높은 특수한 연자성 재료로 형성되어 있다.Next, the magnetic
자성 박막(3)을 구성하는 특수한 연자성 재료란 Fe, Co, Ni중에서 선택되는 1종 또는 2종이상을 원소A라 하고, 란타노이드계의 희토류 금속원소(La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu중 1종 또는 2종이상) 및 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W군에서 선택되는 1종 또는 2종이상의 원소를 M이라 하고, Al, Si, Cr, Pt, Ru, Rh, Pd, Ir군에서 선택되는 1종 또는 2종이상의 원소를 M'라 하고, O 과 N중, 1종 또는 2종이상의 원소를 L이라 표기한 경우에 이하의 조성식으로 나타낸다.The special soft magnetic material constituting the magnetic
AaMbM'cLd A a M b M ' c L d
상기 조성식에서 조성비를 나타내는 a, b, c, d는 원자 %로서, 20≤a≤85, 5≤b≤30, 0≤c≤10, 15≤d≤55의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 또 자성 박막이 상기 조성이며 Fe, Co, Ni중 1종 또는 2종이상을 주성분으로 하는 평균 결정입경 30nm이하의 미결정상과, 원소 M과 O의 화합물 또는 원소 M과 N의 화합물을 주성분으로 하는 비정질상으로 이루어진 것이 보다 바람직하다.In the above formula, a, b, c, and d, which represent the composition ratio, are atomic%, and satisfy the relationship of 20 ≦ a ≦ 85, 5 ≦ b ≦ 30, 0 ≦ c ≦ 10, and 15 ≦ d ≦ 55. In addition, the magnetic thin film has the above composition and has a microcrystalline phase having an average crystal grain size of 30 nm or less having one or two or more of Fe, Co, and Ni as a main component, and a compound of elements M and O or a compound of elements M and N as a main component. It is more preferable that it consists of an amorphous phase.
더욱 상세하게는 자성 박막(3)의 구성재료의 조성을 FeeMfOg로 이루어지는 조성계로 하고, 원소 M을 희토류 원소로 한 경우에, 조성비 e, f, g 는 원자 %로서, 50≤e≤70, 5≤f≤30, 10≤g≤40의 관계를 만족하는 것으로 하는 것이 보다 바람직하다.More specifically, when the composition of the constituent material of the magnetic
또 자성 박막(3)의 구성재료의 조성을 FehMiOj로 이루어지는 조성계로 하고 원소 M을 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W군에서 선택되는 1종 또는 2종이상의 원소로 한 경우에 조성비 h, I, j는 원자 %로서, 45≤h≤70, 5≤i≤30, 10≤j≤40의 관계를 만족하는 것으로 하는 것이 보다 바람직하다.The composition of the magnetic
다음에 FekMlNm으로 이루어지는 조성계로 한 경우에서 조성비 k, l, m은 원자 %로서, 60≤k≤80, 10≤1≤15, 5≤m≤30으로 이루어지는 관계를 만족하는 것이 보다 바람직하다.Next, to satisfy the relation consisting of Fe k M m N l in composition when the composition ratio k, l, in which in made of a m is an atom%, 60≤k≤80, 10≤1≤15, 5≤m≤30 More preferred.
또한 상기 절연막(4)은 SiO2, Al2O3, Si3N4, Ta2O5등의 절연재료로 이루어진다.The
상기 자성 박막의 구성재료에서 Fe는 주성분이고, 자성을 나타내는 원소이다. 고포화 자속 밀도를 얻기 위하여 Fe는 많을수록 바람직하나, Fe-M-O계에서는 70원자 % 이상 이면, 비저항이 작아지기 쉽고, Fe-M-N계에서는 80 원자 %를 넘어서면 비저항이 작아지기 쉽다. 한편 Fe가 본 발명의 범위미만이면, 비저항을 크게 할 수 있으나, 포화 자속밀도가 작어진다.In the constituent material of the magnetic thin film, Fe is a main component and is an element showing magnetic properties. In order to obtain a high saturation magnetic flux density, Fe is more preferable. However, in the Fe-M-O system, the resistivity tends to be small at 70 atomic% or more, and in the Fe-M-N system, the resistivity becomes small at over 80 atomic%. On the other hand, if Fe is less than the range of the present invention, the specific resistance can be increased, but the saturation magnetic flux density becomes small.
희토류 원소 또는 Ti, Zr, Hf, V, Hb, Ta, W군에서 선택되는 원소 M은 연자기 특성을 얻기 위하여 필요한 것이다. 이들은 산소 또는 질소와 결합하기 쉽고, 결합하여 산화물 또는 질화물을 형성한다. 또한 산소, 질소와 결합하기 쉬운 원소로서 이들 외에도 Al, Si, B를 들 수 있다.Rare earth elements or elements M selected from Ti, Zr, Hf, V, Hb, Ta, and W groups are necessary to obtain soft magnetic properties. They are easy to combine with oxygen or nitrogen and combine to form oxides or nitrides. In addition to these, Al, Si, and B may be mentioned as elements that are easily combined with oxygen and nitrogen.
이 산화물 또는 질화물의 함유량을 조정함으로써 비저항을 높일 수 있다. 또 원소 M'은 내식성을 향상시키고, 자왜를 조정하기 위하여 첨가되는 원소이며, 이들의 목적을 위해서는 상기 범위에서 함유시키는 것이 바람직하다.The specific resistance can be increased by adjusting the content of this oxide or nitride. Moreover, element M 'is an element added in order to improve corrosion resistance and to adjust magnetostriction, and for these purposes, it is preferable to contain it in the said range.
상기 조성범위로 하면, 자성 박막으로서 400 ~ 2.0×105μΩ·㎝ 의 범위의 높은 비정항을 얻을 수 있고, 비저항을 높임으로써 와전류 손실을 저감할 수 있고, 고주파 투자율의 저하가 억제되고, 고주파 특성이 개선된다. 또 특히 Hf에는 자왜를 억제하는 작용이 있는 것으로 생각된다.When the composition range is set, a high specific term in the range of 400 to 2.0 × 10 5 μΩ · cm can be obtained as the magnetic thin film. By increasing the specific resistance, the eddy current loss can be reduced, and the decrease in the high frequency permeability is suppressed. Properties are improved. In particular, it is considered that Hf has a function of suppressing magnetostriction.
다음에 상기 구성에 있어서, 상기 자성 박막(3)이 0.5㎛이상 8㎛이하의 두께로 형성되어 이루어지는 것이 바람직하다. 이 범위이면, 성능 계수(Q)로서 1.5이상을 얻을 수 있고, 또한 막두께가 1㎛이상, 6㎛이하이면 성능계수(Q)로서 2이상을 얻을 수 있고 모두 양호한 성능계수(Q)가 얻어진다. 다음에 상기 코일 패턴을 구성하는 코일 도체(6)의 두께를 t, 폭을 a라 한 경우의 코일 도체(6)의 애스펙트비 t/a가 0.035≤t/a≤0.35의 관계를 만족하여 이루어지는 것이 바람직하다. 코일 도체의 애스펙트비가 상기 범위로 됨으로써 코일 도체에서의 온도상승이 억제된다.Next, in the above configuration, it is preferable that the magnetic
또한 상기 코일 패턴을 구성하는 코일 도체(6)의 폭을 a, 코일 패턴에서의 인접하는 코일 도체(6, 6)간의 간격을 b라 한 경우에 코일 도체의 비율을 나타낸 a/(a+b)가 0.2≤a/(a+b)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 0.25≤a/(a+b)의 관계가 만족됨으로써 안정된 인덕턴스와 낮은 등가저항 및 양호한 성능계수(Q)가 얻어진다.In addition, a / (a + b) indicating the ratio of coil conductors when a width of the
상기 구성의 박형 자기소자(A)를 제조하려면 기판(1, 2)의 일면에 고저항(high-ρ)의 A-M-M'-L 계의 연자성 합금 박막으로 이루어지는 자성 박막(3)을 형성시킨다.In order to manufacture the thin magnetic element A having the above structure, a magnetic
상기 자성 박막(3)을 형성하는 수단에 관해서는 본 발명자들이 먼저 미합중국 제5,573,863호, 일본국 특개평 7-268610호 등에서 개시하고 있으나, 기본적으로는 스패터, 증착 등의 박막형성법을 이용한다.Regarding the means for forming the magnetic
여기서 예를 들어 스패터 장치로서는 RF 2극 스패터, DC스패터, 마그네트론 스패터, 3극 스패터, 이온빔 스패터, 대향타겟식 스패터 등의 기존의 것을 사용할 수 있다.As the spatter device, for example, conventional ones such as RF 2-pole spatter, DC spatter, magnetron spatter, 3-pole spatter, ion beam spatter, and counter-target spatter can be used.
다음에 O또는 N을 자성 박막중에 첨가하는 방법으로서는 Ar 등의 불활성 가스중에 산소가스 또는 질소가스를 혼합한 Ar +O2또는 Ar+N2혼합 분위기 가스로 스패터를 행하는 반응성 스패터가 유효하다. 또 Fe, FeM 또는 FeM 계의 합금 타겟상에 Fe, 원소 M, 또는 그들의 산화물 또는 질화물을 배치한 복합 타겟을 이용하여 Ar 등의 불활성 가스중에서 제작할 수도 있다. 또한 스패터 타겟으로서 Fe타겟상에 희토류 원소 또는 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W 등으로 이루어지는 펠렛을 배치한 복합 타겟 등을 이용하여 Ar 등의 불활성 가스중에서 제작할 수도 있다. 이들 성막법에 의해 얻어지는 상기 조성계의 자성 박막은 성막 그대로는 기본적으로 비정질상을 주체 또는 결정상과 비정질상이 혼재하는 조직을 가진다.Next, as a method of adding O or N to the magnetic thin film, a reactive spatter which spatters with Ar + O 2 or Ar + N 2 mixed atmosphere gas in which oxygen gas or nitrogen gas is mixed in an inert gas such as Ar is effective. . It is also possible to produce in an inert gas such as Ar using a composite target in which Fe, element M, or oxides or nitrides thereof are disposed on an alloy target of Fe, FeM or FeM. In addition, it can also be produced in an inert gas such as Ar by using a composite target having a rare earth element or a pellet composed of Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W or the like placed on a Fe target as a spatter target. The magnetic thin film of the composition system obtained by these film forming methods basically has a structure in which an amorphous phase mainly contains an amorphous phase, or a crystalline phase and an amorphous phase.
그리고 원하는 조성의 자성 박막을 성막후, 300 ~ 600℃로 가열하여 서서히 냉각하는 어닐 처리를 실시하여 자성 박막중에 미결정상을 석출시킬 수도 있다.After forming a magnetic thin film having a desired composition, the annealing process may be performed by slowly heating to 300 to 600 ° C. to deposit a microcrystalline phase in the magnetic thin film.
상기 연자성 박막에 어닐 처리를 실시하여 일부 결정상을 석출시켜도 좋으나, 이 결정상의 비율은 50%보다도 적게 하는 것이 바람직하다. 결정상의 비율이 50%를 넘어선 경우는 고주파 영역에서의 투자율이 저하한다. 여기서 조직중에 석출하는 결정립은 입경이 수 nm ~ 30nm정도의 미세한 것으로 그 평균 입경은 10nm이하인 것이 바람직하다. 이와 같은 미세한 결정립을 석출시킴으로써 또 포화 자속밀도를 높일 수 있다. 또 비정질상은 비정항의 증대에 기여하는 것으로 생각되며, 이 비정질상의 존재에 의하여 비저항이 증대하고, 나아가 고주파 영역에서의 투자율의 저하를 방지할 수 있다.Although the crystalline phase may be annealed to the soft magnetic thin film, it is preferable that the ratio of the crystalline phase is less than 50%. When the ratio of the crystal phase exceeds 50%, the permeability in the high frequency region is lowered. Here, the crystal grains precipitated in the structure are fine with a particle size of several nm to 30 nm, and the average particle diameter is preferably 10 nm or less. By depositing such fine crystal grains, the saturation magnetic flux density can be increased. In addition, the amorphous phase is considered to contribute to the increase of the amorphous term. The presence of the amorphous phase increases the specific resistance, and furthermore, it is possible to prevent a decrease in the permeability in the high frequency region.
다음에 상기 자성 박막(3)상에 절연막(4)을 성막법, 도금법, 스크린 인쇄법 등의 상법에 의하여 형성하고 이어서 절연막(4)상에 성막법, 도금법, 스크린 인쇄법 등의 상법에 의하여 예를 들어 스파이럴 형의 코일(7)이 되도록 코일 도체(6)를 형성한다. 이어서 기판(5)의 상하양쪽 면에 각각 상기 코일 도체(6)를 형성한 기판(1, 2)을 기판(5)을 끼우도록 배치함으로써 박형 자기 소자(A)를 얻을 수 있다.Next, the insulating
도 1과 도2에 나타낸 구조의 박형 자기 소자(A)이면, 한쪽의 코일 도체(6)를 1차 코일, 다른 쪽 면의 코일 도체(6)를 2차 코일로 할 수 있고, 박형 자기 소자(A)를 트랜스로서 이용할 수 있다. 특히 상기와 같이 고주파에서의 자성박막(3)이 우수한 특성을 유효하게 이용함으로써 1MHz이상의 스위치주파수로 구동하는 소형, 박형에 의해 고효율의 DC-DC 컨버터용 트랜스, 리액틀, 인덕터 등에 응용할 수 있다. 여기서 기판(5)의 한쪽에만 자성 박막(3), 절연막(4), 코일(7)을 형성하면, 박막 자기 소자(A)를 인덕터로서 사용할 수 있다.In the thin magnetic element A having the structure shown in Figs. 1 and 2, one
또 종래의 박형 자기 소자에서는 코일 주변에서 큰 와전류를 발생하여 손실을 일으켰으나, 상기 비저항이 높은 자성 박막(3)을 이용하는 이 예의 박형 자기 소자(A)의 구조이면, 고주파 영역에서의 와전류의 발생이 적어 손실이 적은 것을 제공할 수 있다. 또 박형 자기 소자(A)를 저손실로 할 수 있기 때문에 박형 자기 소자(A)및 그것을 구비하는 트랜스를 대전력에 견딜 수 있는 구조로 할 수 있고, 박형화, 소형화, 경량화를 실현할 수 있다.In the conventional thin magnetic element, a large eddy current is generated around the coil to cause a loss, but in the case of the structure of the thin magnetic element A of this example using the magnetic
또 자성 박막(3)을 구성하는 상기 조성계의 연자성 재료의 비저항은 충분히 높은 것이 된다. 표 1은 자성 박막(3)의 구성재료의 예이고, 각 시료 모두 RF마그네트론 스패터장치를 이용하여 Fe 타겟상에 본 발명의 M 또는 M'의 각 원소의 각종 펠렛을 배치한 복합 타겟을 이용하고, Ar + 0.1 ~1.0% 의 산소(O) 분위기중에서 스패터를 행하여 막 두께가 약 2㎛이 되도록 스패터 시간을 조정하였다. 주된 스패터 조건은 이하와 같다.Moreover, the specific resistance of the soft magnetic material of the said composition system which comprises the magnetic
예비 배기 : 1×10-6Torr 이하Preliminary exhaust: 1 × 10 -6 Torr or less
고주파 전력 : 400WHigh frequency power: 400W
Ar가스압 : 6 ~ 8×10-3TorrAr gas pressure: 6 ~ 8 × 10 -3 Torr
전극간 거리 : 72mmInter electrode distance: 72mm
표 1에 개시한 바와 같이 No.4의 Fe46.2Hf18.2O35.6이 되는 조성의 자성 박막이면, 비저항(ρ)으로서 133709μΩ·㎝의 비저항을 얻을 수 있다. 또한 이 조성의 자성 박막의 비저항치는 열처리후의 것이고, 열처리전에 있어서 194000μΩ·㎝의 비저항을 얻을 수 있다. 또한 이 조성의 자성 박막의 비저항치는 열처리후의 것이고, 열처리전에서 19400μΩ·㎝의 비저항을 얻을 수 있다. 또 이것 외에도 FeHfO계, FeZrO계, FeNbO계, FeTaO계, FeTiO계, FeVO계, FeWO계, FeYO계, FeCeO계, FeSmO계, FeHoO계, FeGdO계, FeTbO계, FeDyO계, FeErO계에 있어서, 조성의 조정에 의하여 215 ~ 1767μΩ·㎝정도의 비저항을 용이하게 얻을 수 있다. 또 표 2와 표 3의 각 시료는 Fe87Hf13으로 이루어지는 조성의 합금타겟을 제작하고, Ar가스를 캐리어가스로서 이용하고, 이 캐리어 가스중에 함유되는 질소의 양을 5 ~80% 의 범위내에서 조정하고, 가스압 0.6Pa, 투입전력 200W의 조건으로 고주파 스패터링을 행하였다. 또한 Fe, Hf의 조성비는 Hf의 칩을 증감하여 조정하였다. 이렇게 하여 얻어진 각 연자성 합금 박막을 400℃의 온도에서 3시간, 2kOe의 자계중에서 어닐한 시료의 포화 자속밀도(Bs:T)와, 보자력(Hc:Oe)과, 자화 곤란축 방향으로 자계를 인가한 경우의 포화자계:이방성 자계(Hk:Oe)와, 투자율(μ:10MHz)과, 자왜(λs:×10-6)와 비저항(ρ:Ω㎝)을 측정한 결과를 표 2와 표 3에 나타낸다.As shown in Table 1, in the case of the magnetic thin film having a composition of Fe 46.2 Hf 18.2 O 35.6 of No. 4, a specific resistance of 133709 μΩ · cm can be obtained as the specific resistance (ρ). In addition, the specific resistance value of the magnetic thin film of this composition is after heat treatment, and a specific resistance of 194000 µΩ · cm can be obtained before heat treatment. The specific resistance value of the magnetic thin film of this composition is after heat treatment, and a specific resistance of 19400 µΩ · cm can be obtained before heat treatment. In addition to this, in FeHfO, FeZrO, FeNbO, FeTaO, FeTiO, FeVO, FeWO, FeYO, FeCeO, FeSmO, FeHoO, FeGdO, FeTbO, FeDyO, FeErO, By adjusting the composition, a specific resistance of about 215 to 1767 μΩ · cm can be easily obtained. In each sample shown in Table 2 and Table 3 is in the range of 5 to 80% the amount of nitrogen contained in making the alloy target of a composition consisting of Fe 87 Hf 13, and using an Ar gas as the carrier gas, the carrier gas Was adjusted at, and high frequency sputtering was performed under the conditions of a gas pressure of 0.6 Pa and an input power of 200 W. In addition, the composition ratio of Fe and Hf was adjusted by increasing and decreasing the chip | tip of Hf. Each soft magnetic alloy thin film thus obtained was annealed in a magnetic field of 2 kOe for 3 hours at a temperature of 400 ° C. in a magnetic flux in the direction of the saturation magnetic flux density (Bs: T), the coercive force (Hc: Oe), and the difficult magnetization axis. Saturated magnetic field when applied: anisotropic magnetic field (Hk: Oe), permeability (μ: 10 MHz), magnetostriction (λs: × 10 -6 ) and specific resistance (ρ: Ωcm) 3 is shown.
표 2와 표 3에 나타낸 모든 시료에서 우수한 포화 자속 밀도와 보자력과 투자율과 자왜와 200 ~ 400전후의 높은 비저항을 나타내었다. 또한 이방성 자계의 값이 작은 경우, 저주파 영역에서는 투자율의 값이 커지나, 고주파 영역에서는 투자율의 저하가 현저한 경향이 있고, 반대로 이방성 자계의 값이 큰 경우는 저주파 영역에서는 투자율의 값이 그만큼 높지 않아도 고주파 영역에서도 그 값을 유지할 수 있고, 고주파 영역에서의 투자율이 우수함을 시사하고 있다.All samples shown in Table 2 and Table 3 showed excellent saturation flux density, coercivity, permeability, magnetostriction and high specific resistance around 200 ~ 400. In addition, when the value of the anisotropic magnetic field is small, the permeability value tends to be large in the low frequency region, but the permeability decreases in the high frequency region. On the contrary, in the case where the value of the anisotropic magnetic field is large, the permeability in the low frequency region may not be as high Its value can be maintained in the region, suggesting that the permeability is excellent in the high frequency region.
또 이들 계의 자성 박막에서 FeMO계에서는 표 1에 개시한 바와 같이 1.0 ~ 1.5T(10 ~ 15kG)의 포화 자속 밀도를 얻을 수 있고, FeMn계에서는 표 2에 개시한 바와같이 1T(10kG)를 넘는 포화 자속 밀도를 용이하게 얻을 수 있어, 어느 계에서도 펠라이트 등의 포화 자속 밀도 5kG에 비하여 훨씬 높은 10kG이상의 포화 자속 밀도의 것이 용이하게 얻어진다.In the magnetic thin films of these systems, a saturation magnetic flux density of 1.0 to 1.5T (10 to 15 kG) can be obtained in the FeMO system as shown in Table 1, and 1T (10 kG) is obtained in the FeMn system as shown in Table 2. The excess saturation magnetic flux density can be easily obtained, and in any system, a saturation magnetic flux density of 10 kG or more, which is much higher than 5 kG of saturation magnetic flux density such as ferrite, can be easily obtained.
(실시예)(Example)
고분자 필름 또는 세라믹등으로 이루어지는 한변 12mm의 정방형상의 2매의 기판의 각각에 Fe55Hf11O34조성의 두께 3㎛, 자성 박막을 형성하고, 또한 자성 박막상에 두께 17㎛의 SiO2(또는 고분자)로 이루어지는 절연막을 개재하여 도 2에 나타낸 각형 스파이럴 형의 동으로 이루어지는 코일을 형성하고, 이들을 SiO2또는 고분자로 이루어지는 절연층의 양쪽에 도 1에 나타낸 바와같이 배치하여 박형 자기 소자 시료를 얻었다. 스파이럴 형의 코일은 코일 전체 폭(D)을 10mm, 감은 수 9턴으로 하였다.On each of the two 12 mm square substrates made of a polymer film or ceramic, a magnetic thin film having a thickness of 3 μm of Fe 55 Hf 11 O 34 and a magnetic thin film were formed, and on the magnetic thin film, SiO 2 (or A coil made of copper of the square spiral type shown in FIG. 2 was formed through an insulating film made of a polymer), and these were disposed on both sides of an insulating layer made of SiO 2 or a polymer as shown in FIG. 1 to obtain a thin magnetic element sample. . The spiral coil had a total width D of 10 mm and wound several turns.
상기 제조공정에서, 코일 도체의 폭을 0.4mm, 코일 도체간의 간격을 0.5mm, 코일 도체의 두께를 t로 한 경우에 주파수 10MHz의 경우의 일차측 성능계수(Q)에 대한 코일 도체 두께 의존성을 측정한 결과를 도 3에 나타낸다. 도 3에 나타낸 결과로부터 분명한 바와 같이 자성층의 두께를 0.5㎛이상, 8㎛이하의 범위로 하면, 1.5이상의 일차측 성능계수(Q)를 얻을 수 있음과 동시에 자성층의 두께를 1㎛이상, 6㎛이하의 범위로 하면, 2이상의 일차측 성능계수(Q)를 얻을 수 있다.In the above manufacturing process, the coil conductor thickness dependence on the primary side coefficient of performance (Q) at the frequency of 10 MHz is obtained when the width of the coil conductor is 0.4 mm, the distance between the coil conductors is 0.5 mm, and the thickness of the coil conductor is t. The measured result is shown in FIG. As apparent from the results shown in Fig. 3, when the thickness of the magnetic layer is in the range of 0.5 µm or more and 8 µm or less, the primary side coefficient of performance (Q) of 1.5 or more can be obtained and the thickness of the magnetic layer is 1 µm or more and 6 µm. Within the following ranges, two or more primary side coefficients of performance (Q) can be obtained.
도 4는 자성층 두께를 3㎛로 설정하고, 인접하는 코일 도체(6, 6)간의 간격을 b로 한 경우의 박형 자기 소자에서의, a/(a+b)로 나타내는 코일 도체폭의 비율에 의한 인덕턴스의 값을 10MHz에서 측정한 결과를 나타내고, 도 5는 동등한 구성의 박형 자기 소자의 a/(a+b)로 나타내는 코일 도체 폭의 비율에 의한 등가 저항의 값을 10MHz에서 측정한 결과를 나타내고, 도 6은 코일 도체 폭의 비율에 의한 성능 계수(Q)의 값을 10MHz에서 측정한 결과를 나타낸다.Fig. 4 shows the ratio of the coil conductor width represented by a / (a + b) in the thin magnetic element when the magnetic layer thickness is set to 3 µm and the interval between
도 4와 도 5와 도 6에 나타낸 결과로부터 코일 도체 폭의 비율이 0.2이상인 경우에 등가 저항이 현저하게 낮아지고 양호한 값이 되어 높은 성능 계수(Q)를 얻을 수 있음이 분명하다. 도 4에서 인덕턴스는 코일 도체 폭이 넓어짐에 따라 약간 감소경향을 나타내었으나, 이것은 코일 도체에 의하여 자속의 흐름이 방해되었기 때문이라고 생각된다. 도 5에 나타낸 등가 저항을 보면, 코일 도체 폭이 좁을 때 저항이 높아져 있으나, 이것은 코일 도체 자신의 단면적이 작기 때문이다. 코일 도체 폭이 넓을수록 Q는 높아지나, 이것은 등가 저항의 특성에 의한 것이다. 성능 계수의 값에서 보면, 코일 도체 폭의 비율이 0.2이상인 경우에 바람직한 범위임이 분명하다.It is clear from the results shown in Figs. 4, 5, and 6 that the equivalent resistance is significantly lowered and becomes a good value when the ratio of the coil conductor width is 0.2 or more, so that a high coefficient of performance Q can be obtained. In Fig. 4, the inductance tended to decrease slightly as the width of the coil conductor widened. This is considered to be because the flow of magnetic flux is interrupted by the coil conductor. Looking at the equivalent resistance shown in Fig. 5, although the resistance is high when the coil conductor width is narrow, this is because the cross-sectional area of the coil conductor itself is small. The wider the coil conductor, the higher Q, but this is due to the characteristic of equivalent resistance. From the value of the coefficient of performance, it is clear that it is a preferable range when the ratio of the coil conductor width is 0.2 or more.
도 7은 두께 25㎛의 폴리이미드의 필름상에 도 2에 나타낸 스파이럴 형으로서 동제의 코일 도체의 두께를 35㎛, 코일 도체의 폭 a를 0.15mm, 02mm, 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm으로 각각 설정한 복수의 코일 시료를 작성하고, 그들에 관하여 통전시험을 행하여, 그때 일어난 온도 상승을 열전대로 측정한 결과를 나타내고, 도 8은 동제의 코일 도체의 두께를 70㎛로 설정하여 동일한 시험을 행한 결과를 나타내었다.Fig. 7 is a spiral type shown in Fig. 2 on a film of polyimide having a thickness of 25 μm, the thickness of the copper coil conductor being 35 μm, and the width a of the coil conductor being 0.15 mm, 02 mm, 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm. A plurality of coil samples each set were made, an energization test was performed on them, and the resultant temperature rise measured at that time was measured with a thermocouple. FIG. 8 shows the same test by setting the thickness of the copper coil conductor to 70 µm. The result was shown.
도 7과 도 8에 나타낸 결과에서 온도 상승이 50℃이하이면 실용에 제공할 수 있고, 흐르는 전류도 0.5 ~ 1.0A정도가 실용적인 범위이다.When the temperature rise is 50 degrees C or less in the result shown in FIG. 7 and FIG. 8, it can provide practically, and about 0.5-1.0 A of flowing electric currents is a practical range.
이상의 것으로부터 감안하여 보면, 두께 35㎛의 동제의 도체 코일이면, 코일 도체 폭(a)을 0.3mm이상, 1.0mm이하의 범위에서 선택하는 것이 가능하고, 두께 70㎛의 동제의 도체 코일이면, 코일 도체 폭(a)을 0.2mm이상, 1.00mm이하의 범위에서 선택할 수 있다. 따라서 t/a 로 나타내는 애스팩트비를 두께 35㎛의 동제의 도체 코일이면, 0.05이상, 0.12이하의 범위, 두께 70㎛의 동제의 도체 코일이면, 0.07이상, 0.35이하의 범위인 것이 바람직한 것을 알 수 있다. 따라서 두께 35㎛와 70㎛중 어느 도체 코일에서도 애스팩트비 0.035이상, 0.12이하의 범위내이면, 발열을 낮게 억제할 수 있음이 판명되었다. 또한 코일 도체 폭(a)을 1.0mm이하로 한 것은, 1.0mm를 넘어서면 인접하는 도체 코일이 쇼트할 가능성이 커져 소자의 소형화를 할 수 없어 바람직하지 않기 때문이다. 또 미안다형 도체 코일의 경우, 인접하는 도체 코일에 의한 반대방향의 자속이 간섭하기 때문에 코일 도체의 폭(a)은 그 의미에서도 1.0mm이하로 하는 것이 바람직하다.In view of the above, in the case of a copper conductor coil having a thickness of 35 µm, the coil conductor width a can be selected within a range of 0.3 mm or more and 1.0 mm or less, and in the case of a copper conductor coil having a thickness of 70 µm, The coil conductor width a can be selected within the range of 0.2 mm or more and 1.00 mm or less. Therefore, it is understood that the aspect ratio expressed by t / a is preferably in the range of 0.07 or more and 0.35 or less in the case of a copper conductor coil having a thickness of 35 μm, in the range of 0.05 or more, 0.12 or less, and in the case of a copper conductor coil in the thickness of 70 μm. Can be. Therefore, it was proved that heat generation can be suppressed low in the aspect ratio of 0.035 or more and 0.12 or less in any conductor coil of thickness 35micrometer and 70micrometer. In addition, the coil conductor width a is set to 1.0 mm or less because it is not preferable that the conductor conductor width is shortened if it exceeds 1.0 mm, and the element can not be miniaturized. Moreover, in the case of a meda-type conductor coil, since the magnetic flux of the opposite direction by adjacent conductor coils interferes, it is preferable that the width a of a coil conductor shall be 1.0 mm or less also in the meaning.
이상 설명한 바와같이 본 발명의 박형 자기 소자는 코일 패턴상에 자성 박막을 0.5 ~ 8㎛의 두께로 형성하였기 때문에 양호한 성능 계수(Q)를 얻을 수 있다.As described above, in the thin magnetic element of the present invention, since the magnetic thin film is formed on the coil pattern with a thickness of 0.5 to 8 mu m, a good coefficient of performance Q can be obtained.
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